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表面形貌和粗糙度測量 瀏覽量:1574 | 發(fā)布時(shí)間:2022-07-11

表面形貌和粗糙度測量

  原子力顯微是用于諸如表面粗糙度之類(lèi)的度量的最流行技術(shù)之一,因為它具有以納米級分辨率定量測量x,y和z方向的能力。

  原子力顯微鏡是為數不多的能夠定量測量表面所有3個(gè)維度的工具之一:橫向(x和y)和高度(z)。與其他依賴(lài)于電子與材料相互作用的高分辨率微觀(guān)表征方法不同,原子力顯微鏡中針尖與樣品之間存在機械接觸,能夠精確測量樣品的形貌和表面紋理。原子力顯微鏡(AFM)橫向分辨率為5-10nm,縱向分辨率為亞納米級,是一種有效的表面定量測量?jì)x器。這種強大的定量測量與樣品表面的靈活性結合在一起:除了可被放入儀器外,對樣品沒(méi)有任何要求。對樣品表面形貌的定量測量可以實(shí)現如粗糙度輪廓、發(fā)現表面不規則性等重要的計量測量,以及實(shí)現如偏度和峰度等的更先進(jìn)的測量。的更先進(jìn)的測量。

  原子力顯微鏡中有多種模式可用于測量表面粗糙度,這些模式因接觸類(lèi)型而異。最簡(jiǎn)單的模式是接觸模式,在接觸模式下,尖端以恒定的懸臂偏轉被“拖”過(guò)表面。用戶(hù)定義尖端被“拖”過(guò)表面時(shí)的載荷,以便可以為堅硬、結實(shí)的材料選擇較重

  的載荷,為較軟的材料選擇較輕的載荷。然后儀器中的z軸壓電管上的反饋回路使懸臂的偏轉在整個(gè)圖像中保持恒定。通過(guò)此z軸壓電運動(dòng)可提供形貌信息。

  測量表面形貌(從而測量表面粗糙度)的較溫和模式是輕敲模式。這是一種動(dòng)態(tài)模式,其中尖端以共振頻率振蕩,因而尖端以恒定的振幅輕柔地與表面相互作用。用戶(hù)定義尖端在表面上成像時(shí)的振動(dòng)幅度,以便為堅固的材料選擇較大的幅度,為較軟的材料選擇較小的幅度。然后,儀器中z軸壓電管上的反饋回路使懸臂振幅在整個(gè)圖像中的保持恒定。通過(guò)此z軸壓電運動(dòng)可提供形貌信息。使用這兩種模式,幾乎任何表面形貌都可以成像,從軟生物細胞,到聚合物,再到更堅硬的半導體和金屬。

  存在多種參數來(lái)量化表面粗糙度。粗糙度值可以從橫截面輪廓(線(xiàn))或表面(面積)計算。最常見(jiàn)的粗糙度參數依賴(lài)于計算與平均線(xiàn)或平面的垂直偏差。因此,只有提供z軸的定量測量的儀器才能提供粗糙度分析數據。如果圖像給人三維的“印象”,但三維的高度沒(méi)有量化(如掃描電鏡圖像),則無(wú)法對其進(jìn)行定量粗糙度分析。

  計算的兩個(gè)最常見(jiàn)的粗糙度參數是相對于平均值的算術(shù)平均值偏差和平均值的均方根平均值偏差。對于要分析區域的圖像,算術(shù)平均值稱(chēng)為Sa,并定義為:

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  同樣,RMS粗糙度稱(chēng)為Sq,定義為:

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AFM進(jìn)行形貌測量的示例

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  原子力顯微鏡部分用作一個(gè)度量工具的原因是它在x,y和z上的出色分辨率。這里是一張收集到的鈦酸鍶(SrTiO3)的AFM圖像,它是一種鈦和鍶的氧化物,呈現鈣鈦礦結構,用作氧化物基的薄膜和高溫超導體生長(cháng)的基底。這種材料形成層狀結構,其中各層僅幾埃厚。AFM可以輕松處理此類(lèi)材料并對這些結構進(jìn)行成像。在此1.1μm x 1.1μm圖像中,鈦酸鍶層很容易觀(guān)察到。由于樣品制備過(guò)程中的非理想終止過(guò)程,每層的RMS粗糙度約為0.125納米。下圖顯示了橫截面輪廓以及將每個(gè)樣本高度的像素數進(jìn)行分級的直方圖。在橫截面輪廓和直方圖中,都清楚地看到了大約4埃的層厚,揭示了AFM在z軸的出色分辨率

  Topography showing steps of strontium titanate;image size 1.1μm


AFM進(jìn)行表面粗糙度測量的實(shí)例

  對于某些應用,需要將藍寶石或玻璃表面拋光至亞納米粗糙度。此處獲得的圖像顯示出拋光痕跡和表面上的小污染物顆粒。圖像以動(dòng)態(tài)模式記錄。

系統: NaniteAFM 10μm掃描范圍連接至C3000控制器

懸臂: NCLAuD(Nanosensors)

圖像處理: Nanosurf報告軟件

  Sa=0.12nm

  表面上的顆粒分別引起較大的49和2770的偏度和峰度值。


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  Surface roughness image of polished sapphire




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